第十三届全国周培源大学生力学竞赛“基础力学实验”团体赛命题和竞赛总结.pdf

力2023年实6.月第4 5 卷第3 期践学第十三届全国周培源大学生力学竞赛“基础力学实验”团体赛命题和竞赛总结1)陈建中2)黄莉张红旗吕泳王珍周令公刘立胜（武汉理工大学理学院，武汉4 3 0 0 7 0)摘要对第十三届全国周培源大学生力学竞赛“基础力学实验”团体赛的命题过程、命题原则与思路、竞赛过程与结果等进行了分析和总结，并提出了相关意见与建议。关键词周培源，大学生力学竞赛，基础力学实验，团体赛中图分类号：0 3文献标识码：Adoi:10.6052/1000-0879-22-145THE SUMMING UP ON THE QUESTION SETTING AND CONTESTRESULTS FOR THE GROUP EVENTS OF“BASIC MECHANICSEXPERIMENTINTHE13THNATIONALZHOU PEIYUANCOMPETITION ON MECHANICS FOR COLLEGE STUDENTS1)CHEN Jianzhong2)HUANGLiZHANG HongqiLi YongWANG ZhenZHOU LingLIU Lisheng(School of Science,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)Abstract It analyses and summarizes the question setting process and principles,contest process and resultsof the group events of“Basic Mechanics Experiment in the 13th National Zhou Peiyuan MechanicsCompetition for College Students,and it also puts forward relevant opinions and suggestions.Keywords2Zhou Peiyuan,mechanics competition for college students,basic mechanics experiment,groupevents全国周培源大学生力学竞赛自1 9 8 8 年开始举办以来，其组织方式、竞赛形式及内容等随着时代的变化不断在创新发展，2 0 0 7 年举行的第六届竞赛开始设置了团体赛，从2 0 1 3 年举行的第九届竞赛开始，团体赛分为了“理论设计与操作”和“基础力学实验”两部分。全国周培源大学生力学竞赛是由中国力学学会和周培源基金会共同主办的一项全国大学生科技竞赛，经过几十年的发展，已经发展为我国高等教育最高层级的大学生科技竞赛活动之一，在推动力学科普、培养力学人才、发现力学拔尖人才等方面发挥了重要作用1-3 。历届个人赛及“理论设计与操作”团体赛已有较多介绍与总结分析，为促进相关竞赛起到了很好的推动作用，但关于“基础力学实验”团体赛的介绍相对较少-1 8。本文主要对第十三届全国周培源大学生力学竞赛“基础力学实验”团体赛的命题和竞2022-03-10收到第1 稿，2 0 2 2-0 3-2 9 收到修改稿。1）教育部产学合作协同育人项目（2 2 0 5 0 2 1 1 6 1 7 2 6 2 4）和湖北省省级教研项目（2 0 1 8 年1 1 1 号）资助。2)陈建中，副教授，主要研究方向为复合材料力学。E-mail：c j z w h u t 1 6 3.c o m2）陈建中，割教技，主安研九方向为发合材科方学。L-ma：c jz w iu t io s.c o l引用格式：陈建中，黄莉，张红旗等.第十三届全国周培源大学生力学竞赛“基础力学实验”团体赛命题和竞赛总结.力学与实践，2 0 2 3，4 5(3)：707-713用格浴式你字生力字克赛基力字买验团体赛命题和克赛总结：寸买域，2 0 2 3，4 5 3）707-713Chen Jianzhong,Huang Li,Zhang Hongqi,et al.The summing up on the question setting and contest results for the groupevents of“basic mechanics experiment in the 13th National Zhou Peiyuan Competition on Mechanics for College Students.Mechanics in Engineering,2023,45(3):707-713力708实践学2023年第4 5 卷赛进行分析总结，以期对本项团体赛也起到一定的促进作用。1赛事概述“基础力学实验”团体赛主要考察学生力学实验相关的基础知识以及实验设计、实验操作、实验分析的能力，培养学生通过实验分析解决力学问题的能力。“基础力学实验”团体赛由“实验原理”和“综合实验”两部分组成，其中实验原理部分为闭卷笔试，主要考察学生对实验基本知识与原理的掌握；综合实验部分为团队操作，主要考察学生的实验基本技能、综合实验素质及团队协作能力，包括对综合实验任务书的理解、分析，实验方案的确定，应变片粘贴技术、焊接技术，实验设备仪器的操作，原始数据的取得，实验数据分析处理以及实验报告的完成等。第十三届全国周培源大学生力学竞赛“基础力学实验”团体赛于2 0 2 1 年7 月2 5 2 7 日在武汉理工大学举行。共有4 0 个代表队报名参加本届赛事，但在竞赛的前几天受南京突发新冠疫情的影响，江苏省的4 个代表队非常遗憾无法到达比赛现场，实际参赛人员包括3 8 所高校的3 6 个代表队，共2 1 8 人（有两个代表队分别由2 所高校联合组队）。经过两天的激烈比赛，哈尔滨工业大学代表队获得了团体总分第一名。2命题过程2020年1 2 月，中国力学学会正式下发了关于举办“第十三届全国周培源大学生力学竞赛”的通知，并确定了由上届“基础力学实验”团体赛第一名，即武汉理工大学负责本届“基础力学实验”团体赛的相关命题及组织工作。武汉理工大学随即成立了专门的命题工作组和竞赛组织工作组。其中命题工作组共有4 人，由工程结构与力学系长期负责本校“基础力学实验”团体赛竞赛培训的教师和从事基础力学实验相关教学的教师组成，包括校精品课程教学名师1 名、青年教学名师1 名。命题工作组首先分析了前几届竞赛试题，在此基础上确定了本届竞赛命题的基本原则与思路。由1 名教师先给出试题的初步内容，然后命题工作组进行反复研讨与修改，尤其是针对综合实验部分的试题，前后集中讨论了十多轮，在2 0 2 1年3 月底形成了试题初稿。此后进行试样制备及实验验证，根据实验结果不断完善试题，完成试题参考答案，在4 月底形成了整套试题的送审稿。与往届不同，本届赛事首次实施了审题制度。由清华大学的庄茁教授、殷雅俊教授、中国力学学会的胡漫老师组成竞赛现场指导及审题的工作组，莅临武汉理工大学进行了现场审题及赛事指导，对命题的思路、具体内容及文字细节等都进行了详细的审查指导，提出了很多宝贵意见。命题工作组根据审查意见进一步修改完善试题，最终形成正式竞赛试题及参考答案。3命题原则与思路根据本赛事的总体目标，命题工作组确立了本届竞赛命题的基本原则与思路，着重以下几点。（1）突出分析问题、解决问题的能力。除了笔试试卷中判断、选择和填空的部分题目是考察基本概念和原理外，其他试题均主要考察学生对于实验的理解以及设计实验方案来分析解决力学问题的能力。（2）实验原理部分和综合实验部分各有侧重。实验原理部分侧重于考察学生的基础力学实验相关概念和原理，综合实验部分侧重于考察学生的实验设计、操作与分析的能力。（3）具有一定的创新性。本届竞赛在综合实验操作中首次考虑了移动载荷的实验设计问题，并开发了相应的加载装置。（4）具有一定的挑战度和区分度。在笔试试卷中个别试题对于常规的实验设计加了一定的限制，如第5 题通过设计实验方案测薄壁圆筒内压及扭转外力偶矩，要求设计应变计数量最少的实验方案；第6 题通过应变花确定主应力，要求最多只能测两次。综合实验任务中的关于矩形截面扭转问题、移动载荷问题等，均对课本知识进行了适当拓展，提高了难度，具有较高的挑战性，从而达到竞赛结果具有一定区分度的目的。下面结合综合实验任务书对本届竞赛的命题原则与思路进行进一步的分析。综合实验任务书以工程中常见的悬臂结构为709陈建中等：第十王三届全国周培源大学学生力学竞赛“基础力学实验”团体赛命题和竞赛总结第3 期背景，针对当前在各大景区比较火热的高空观景平台，设计了模型试样尺寸如图1 所示，试样包括矩形框架和圆筒杆件两部分。加载装置（含已安装好的试样）如图2 所示，加载点可沿悬臂前后移动和绕立柱旋转，同时也能上下移动，从而可以在试样上任一点加载。任务书给出了试样的基本尺寸、圆筒杆件的材料性能、限制载荷等基本参数，通过设计实验完成4 项实验任务。1010125351010355固定断面54GA1410GI5H8020图1试样尺寸图（单位：mm）立柱悬臂载荷传感器加载点试样图2加载装置图任务1 要求在试样上的对称点A施加载荷，设计合适的实验方案来确定矩形框架材料的弹性模量和泊松比。本项任务非常明确，属于常规的材料性能参数测定实验，并限定了加载点，问题相对比较简单，大部分代表队都能完成。任务2 为当在试样上的对称点A施加载荷时确定框架材料上某一特定点C的应力状态，并要求与理论结果进行比较。本项任务的问题也比较明确，是一道比较常规的组合变形实验设计题，其难度主要在于理论分析，这是一个内力超静定问题。因载荷作用在垂直于刚架的平面内，小变形情况下，忽略刚架在其自身平面内的内力分量，因此为三次超静定，利用对称性，可降为一次超静定。同时，应力分析涉及到矩形截面的扭转问题，因此有一定的难度。但是在题注中给出了矩形截面扭转的相关公式及系数，适当降低了难度。任务3 要求利用圆筒杆件设计弯矩传感器和扭矩传感器，并确定在矩形框架上不同点施加载荷时相应的弯矩和扭矩值。本项任务源于实际工程结构监测，通过两个传感器可实现结构安全预警，确保结构在运行过程中的安全性。本项任务的完成需要有一定的传感器基础知识，并具有较强的分析问题、解决问题的能力和实验设计能力。任务4 分别给出了试样上F点和G截面的许用应力，考虑了实际情况中的移动载荷问题，通过实验确定最危险的载荷值及其施加的位置。本项任务紧贴实际工程，通过最危险工况来设计结构和确定最大许用载荷，以确保工程结构的安全性。本项任务的完成相对较难，需要有很清晰的力学概念，具有很强的分析问题、解决问题的能力，给特别优秀的代表队留下了发挥的空间。4竞赛过程与结果在竞赛现场指导及审题工作组的建议和指导下，本届竞赛日程由传统的先实验原理笔试再综合实验操作改为先综合实验操作再实验原理笔试，力710实践2023年第45卷学将总体时间由4 天压缩到3 天，提高了效率。本届竞赛7 月2 5 日报到，当天晚上召开指导教师预备会议，介绍竞赛的相关注意事项。7 月26日上午举行开幕式及代表队伍熟悉综合实验场地和设备，下午进行综合实验操作竞赛。7 月2 7日上午进行实验原理笔试，下午举行闭幕式及颁奖仪式。7 月2 6 日下午进行综合实验操作竞赛的同时，举行了带队教师的教学交流研讨会，清华大学的李俊峰教授做了关于教育的几个基本概念辨析的精彩报告，武汉理工大学黄莉副教授等多位老师介绍了力学课程教学及一些最新的实验教学设备、技术及研究进展，现场展开了热烈的交流讨论，为基础力学实验相关课程教学及人才培养起到了很好的促进作用。图3 为竞赛现场（局部），图4 为教学交流研讨会现场。图3竞赛现场关于教育的几个概念辨析202147月图4交流研讨会现场竞赛试题包括两部分：实验原理笔试和综合实验操作任务书。实验原理笔试试卷包括5 道判断题、5 道选择题、5 道填空题以及4 道实验分析题，总分1 0 0 分，占总成绩的2 0%，竞赛时间为1小时。各代表队选派3 名代表独立参加实验原理笔试，各代表队的实验原理笔试成绩为3 名参赛选手成绩的平均值。综合实验操作任务书针对工程背景提出了4 项具体的实验任务，总分100分，占总成绩的8 0%，竞赛时间为5 小时。各代表队选派3 名代表一起参加综合实验操作，共同完成实验操作及任务书，各代表队的综合实验操作成绩包括现场操作成绩和实验任务书卷面成绩，分别占综合实验成绩的3 0%和7 0%。每支代表队有三项成绩：实验原理笔试成绩、综合实验现场操作成绩、综合实验任务书成绩。三项成绩汇总后按相应的比例计算得到最终的总成绩，三项分项成绩和总成绩的直方图见图5 图8，均呈现一定的正态分布趋势，分布相对比较合理。总成绩平均分为4 8.2 6 分，最高分7 1.9 9 分，比第二名高7.9 5 分，具有较好的区分度。实验原理笔试各题的平均得分率如图9 所示。题号1 为判断题，题号2 为选择题，题号3 为填空题，这3 题的平均得分率均在6 0%左右，相对较高，但后面的题号4 7 为设计相关题目，得分率越来越低，最后一题的得分率不到2 0%，一121086420,40)08(0909)0920,3070,8090,100 分数区间图5实验原理笔试成绩121086420(of(08(060,70)0860,分数区间图6综合实验任务书成绩711陈建中等：第十三届全国周培源大学生力学竞赛“基础力学实验”团体赛命题和竞赛总结第3 期20181614121086420(OT(020900T0610,2040,50 50,6070,80)分数区间图7综合实验现场操作成绩121086420,40),70)10,2020,3050,6070,80分数区间图8总成绩方面说明该题难度可能较高，另一方面也可能与题量有关，部分考生来不及完成，导致最后一题是空白，有4 9 份试卷的最后一题为0 分，占试卷总份数的4 5.4%。实验原理笔试成绩超过6 0 分的有2 个代表队，最高分6 5.7 分，平均分4 1 分。1 0 8份实验原理笔试试卷的成绩分布如图1 0 所示，也基本呈现出一定的正态分布。个别考生在实验原理笔试部分表现得特别优秀，单份试卷最高分为8 6 分。综合实验任务书中4 项任务的平均得分率如图1 1 所示，任务1 的得分率超过5 0%，最后一项任务的得分率不到1 5%，得分率的变化较好体现了任务难度递进的规律。最后两项任务的得分率偏低，尤其是最后一项任务，有1 3 个代表队的得分为0，占总代表队数量的3 6.1%，说明部分考生在分析解决问题方面的能力还存在一定的不足，不知道从何入手来解决问题。综合实验任务书成绩超过6 0 分的有4 个代表队，最高分6 5分，平均分3 7.8 分。通过对答卷进行分析，每一项任务中均有个别代表队表现得非常优秀，但没有所有任务同时都完成得较好的代表队。其中任务1 总分2 0 分，最高得分1 9 分；任务2 总分3 0分，最高得分2 7 分；任务3 总分2 5 分，最高得分2 5 分；任务4 总分2 5 分，最高得分1 8 分。为了更好地组织和宣传本赛事，本届竞赛采706050%率4030201001234567题号图9实验原理各题得分率322824201612840,40)0810,2020,3040,5050,6070,8080,9090,100分数区间图1 0实验原理笔试单份试卷成绩605040%/率3020100上1234任务编号图1 1综合实验任务书各项任务得分率力712实践2023年第4 5 卷学用了微站的形式进行注册与宣传报道，并进行了现场照片直播，现场照片浏览量已累计超过4 万次。本次竞赛除了在全国大学生周培源力学竞赛官网报道外，还在湖北日报、未来网高校、武汉教育台等十多家媒体进行了宣传报道，得到了社会各界的广泛关注，取得了积极的宣传效果。5意见与建议“基础力学实验”团体赛涉及实验原理笔试和综合实验操作，包括两份试题及试样、设备的开发与制备，同时还有教学交流研讨会、开幕式、颁奖仪式及闭幕式等，涉及多个场馆，整个命题及竞赛组织工作相对比较复杂。武汉理工大学理学院工程结构与力学系有4 0 多名教师参与了本届竞赛的命题和组织工作，竞赛期间共有5 0 名志愿者参与了相关服务工作，学校、各职能部门及学院组织召开了多次协调会，系里组织了十多次具体工作布置会议。筹备工作前后历时半年多，除了得到中国力学学会的大力支持和指导外，还得到了南京航空航天大学、河海大学等单位专家教授的指导，在各方的共同努力下，本届竞赛最终圆满落幕。本次竞赛的命题和组织，极大地推动和促进了武汉理工大学基础力学实验的相关教学工作。为了进一步推动本项赛事，有几点不成熟的意见供参考。（1）可适当降低综合实验操作任务书的难度，进一步减少实验基础笔试的题量。本届竞赛虽然试题梯度、成绩区分度等都还比较理想，但平均成绩还是略微偏低，后续可适当降低一点难度；实验基础笔试试卷题量较往届有所减小，但实际完成情况表明还可以考虑减少一道大题。（2）音部分考生分析问题、解决问题的能力相对比较薄弱，在教学过程中需要加强相关能力的培养。从综合实验任务的答卷情况可以看出，部分代表队缺少工程应用的相关概念和能力，没有通过实验分析解决力学问题的思路与方法，需要在平时教学过程中进一步加强相关能力的培养。（3）需要充分考虑评审专家的评阅时间安排。本届竞赛缩短的竞赛日程更加紧凑，能够更加高效地完成竞赛，但是评审专家的压力增大，评阅时间非常紧张，需要做好组织协调与服务工作，合理安排好评审专家的评阅时间。（4）进一步规范赛事和加大宣传，扩大本项赛事的影响力。“基础力学实验”团体赛相对个人赛和“理论设计与操作”团体赛而言没有在业界得到广泛的关注和认可，应进一步规范本赛事的命题与组织工作，并加大宣传力度，更好地为力学科普、培养力学人才、发现力学拔尖人才服务。致谢感谢李俊峰教授、庄茁教授、殷雅俊教授、胡漫老师、邓宗白教授、雷冬教授、赵引教授、张亦良教授、刘均教授、陈巨兵教授、冯维明教授、张东升教授等给予的大力支持和帮助。参考文献1刘俊丽，李俊峰.全国周培源大学生力学竞赛发展历程.力学与实践,2 0 1 9,4 1(3):3 5 7-3 6 5Liu Junli,Li Junfeng.The development of National ZhouPeiyuan Competition on Mechanics.Mechanics in Engineer-ing,2019,41(3):357-365(in Chinese)2王振东.关于力学竞赛的琐忆.力学与实践，2 0 1 7,3 9(3)：3 1 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Zhou Peiyuan Mechanics Competition for CollegeStudents.Mechanics in Engineering,2018,40(5):599-608713第3 期陈建中等：第十三三届全国周培源大学生力学竞赛“基础力学实验”团体赛命题和竞赛总结(in Chinese)7肖万伸，彭凡，任毅如等.第十一届全国周培源大学生力学竞赛个人赛命题总结.力学与实践，2 0 1 8,4 0(4)：4 7 7-4 7 9Xiao Wanshen,Peng Fan,Ren Yiru,et al.Summing up ofthe test assignment for the 1lth National Zhou PeiyuanMechanics Competition(for individual events).Mechanicsin Engineering,2018,40(4):477-479(in Chinese)8张涵寓，杨丰源，王仕青等.第十届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体冠军队的设计方案.力学与实践，2 0 1 6，38(3):347-349Zhang Hanyu,Yang Fengyuan,Wang Shiqing,et al.Thedesigning scheme of the champion team in the 10th Nation-al Zhou Peiyuan Competition on Mechanics.Mechanics inEngineering,2016,38(3):347-349(in Chinese)9秦世伦，李晋川，黄学进等.第九届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体赛命题工作小结.力学与实践，2 0 1 3,35(5):110-11210高云峰，庄茁，殷雅俊.第八届全国周培源大学生力学竞赛团体赛总结.力学与实践，2 0 1 1,3 3(5)：9 8-1 0 111高云峰.第七届全国周培源大学生力学竞赛团体赛回顾.力学与实践,2 0 0 9,3 1(6):9 7-1 0 112蒋持平.让我们仰望星空一第七届全国周培源大学生力学竞赛总结.力学与实践，2 0 0 9,3 1(5)：1 0 3-1 0 413李道奎，丛广年，雷勇军.浅析第六届全国周培源大学生力学竞赛初试题型及参赛大学生应注意的问题.力学与实践，2 0 0 9,31(2):107-10814高云峰.第6 届全国周培源大学生力学竞赛团体赛的出题与比赛.力学与实践，2 0 0 7,2 9(6)：8 9-9 115蒋持平.发展创新挑战一一第6 届全国周培源大学生力学竞赛总结.力学与实践，2 0 0 7,2 9(5)：8 9-9 116梅凤翔.第五届全国周培源大学生力学竞赛总结.力学与实践，2005,27(1):8317景荣春.简评第五届全国周培源大学生力学竞赛试题.力学与实践,2 0 0 5,2 7(6):8 2-8 318蒋持平.第四届全国周培源大学生力学竞赛总结.力学与实践，2001,23(1):72（责任编辑：胡漫）